分布式電源并網配電接地保護技術優化

在全球積極推動能源轉型的浪潮中，小水電、風力發電等可再生能源作為典型的分布式電源（DG），目前在配電網中的占比持續攀升，與傳統發電系統相比，DG輸出功率要小很多，一般為 2kW～500MW^[1]， 。這些電源分散接入配電網后，徹底改變了傳統配電網的拓撲結構和運行特性。以往基于放射狀網絡設計的接地保護系統，如今難以適應新變化，特別是在中性點非有效接地系統中，單相接地故障檢測的可靠性與選擇性明顯下降，已無法滿足現代配電網安全穩定運行的需求。

1.傳統接地保護技術局限性分析

1.1方向判別失效

在含DG的配電網中，當故障發生時，故障點上下游的電源都會向故障點注入電流，而傳統的零序功率方向判據是假定電流僅從電源流向故障點。但實際的雙向潮流過程中，方向繼電器難以判斷電流真實方向，容易出現邏輯混亂。尤其是在環網運行時，多個電源提供的故障電流，讓方向繼電器的故障判斷難上加難，無法準確識別故障方向，嚴重影響保護裝置正確動作。

1.2靈敏度不足

風電等間歇性電源出力容易受風速、光照等自然因素影響，不確定性強。當電源出力較低，發生故障時產生的最小故障電流可能無法達到傳統零序過流保護的啟動值，導致保護裝置無法檢測到故障。而高阻接地故障本身電流微弱，再加上DG出力波動干擾，保護裝置更難及時發現故障，導致傳統的接地保護的靈敏度和可靠性大幅降低。

1.3配合特性破壞

傳統配電網中，多級保護通過時序配合，實現選擇性保護，即靠近故障點的先保護，遠離故障點的后保護。但DG接入后，系統阻抗特性改變，多級保護間的時序配合被打亂。

2.保護技術優化體系構建

2.1總體設計框架

按照“特征識別-動態整定-協同動作”三層優化保護技術架構。第一層為特征識別層，借助廣域測量系統實時采集配電網電流、電壓、阻抗等網絡參數，這些參數能精準反映配電網運行狀態和故障特征。第二層動態整定層，運用自適應算法深入分析實時網絡參數，生成契合當前運行狀態的保護定值。該層充分考量分布式電源出力波動、網絡拓撲變化等因素對保護定值的影響，實現定值動態調整，保障保護裝置靈敏度和可靠性。第三層協同動作層，依托通信網絡實現區域內保護裝置信息共享與協同運作。故障發生時，各保護裝置依據共享信息協同動作，快速、精準切除故障，從空間和時間維度優化保護性能，打破傳統就地保護的局限。

2.2核心技術創新

2.2.1動態阻抗邊界算法

為應對分布式電源接入后系統阻抗復雜多變的狀況，可構建考慮DG等效阻抗動態變化的復合網絡模型。將DG等效轉為可變阻抗，其阻值隨電源出力和運行狀態實時改變。深入剖析該復合網絡模型，推導得出隨時間變化的零序阻抗邊界條件。在實際運行中，通過在線計算系統戴維南等效參數，實時修正保護動作區域，讓保護裝置能根據系統當前阻抗狀態靈活調整動作范圍，確保在各種運行方式下都有良好的保護靈敏度。

2.2.2多判據融合決策

為提升故障識別的準確性和可靠性，整合零序電流幅值、相位差、諧波含量等多方面故障特征，構建加權模糊判別函數。根據不同故障特征對故障判斷的重要程度，賦予相應權重，進行綜合判斷。同時，設置動態閾值調整機制，當某個單一判據因外界因素可信度降低時，自動提高其他判據的決策權重，通過多判據協同判斷，避免單一判據失效導致保護誤動或拒動。

2.2.3虛擬阻抗補償技術

針對DG接入引起的零序阻抗變化問題，在保護算法中引入虛擬阻抗環節。通過構建阻抗匹配矩陣，模擬DG對故障回路參數的影響，并在算法中進行等效補償，消除DG接入對故障回路參數的干擾，使保護裝置能像傳統單電源系統一樣進行故障判斷和保護動作，增強保護裝置對DG接入的適應能力。

3.關鍵實現技術優化

3.1拓撲自動適應識別

研發基于圖論分析的網絡拓撲實時辨識算法，通過采集配電網中斷路器隔離開關等開關量狀態信息來重構系統連接關系。通過運用圖論中節點和邊的概念，將配電網元件和線路抽象為圖的節點和邊，依據開關量狀態變化實時更新網絡拓撲結構。同時，建立拓撲結構一保護定值映射數據庫，關聯不同拓撲結構與對應的保護定值，網絡拓撲變化時，自動匹配加載合適的保護定值，實現保護參數的自動優化調整。

3.2通信協同機制

通過設計分層遞進式通信架構來滿足保護裝置間信息傳輸需求。底層設備采用GOOSE快速報文傳遞狀態信息，其傳輸速度快、實時性強，確保保護裝置能及時獲取相鄰設備狀態。區域層利用IEC61850協議實現保護定值協同優化，該協議互操作性和開放性良好，支持不同廠家設備信息共享交互，為保障通信異常時系統可靠運行，設置自主降級策略，通信故障時，保護裝置自動切換到本地獨立運行模式，依據預設參數和算法進行故障判斷與保護動作，維持配電網安全穩定。

3.3裝置硬件優化

有學者指出TMS320F2812芯片為核心的高速多通道同步數據采集DSP系統，設計DG并網情況下的配電網單相接地保護裝置是有效果的[2]。因此，采用具備多CPU架構的新型保護裝置，設置獨立運算單元分別處理常規保護邏輯和自適應算法也是一種關鍵技術。常規保護邏輯運算單元負責實現傳統保護功能，保障裝置基本性能；自適應算法運算單元專注處理動態、多判據融合等復雜算法，提升裝置處理能力和響應速度。同時，采用光耦隔離與電磁屏蔽技術，增強裝置在復雜電磁環境下的抗干擾能力，確保裝置穩定運行。

4.技術優勢分析

4.1提升動作可靠性

實際運行表明，優化方案在高DG滲透率場景下表現優異。當DG滲透率達 40% 時，接地故障識別準確率大幅提升，能精準定位和判斷故障類型，動作時間顯著縮短，可快速切除故障，降低故障對配電網的影響。對于風速突變等引起的故障電流波動，該方案適應性良好，能及時調整保護定值和判斷邏輯，確保保護裝置在復雜工況下準確開展動作，提高配電網接地保護可靠性。

4.2增強系統兼容性

本文提出的虛擬阻抗補償技術兼容性強，能適配消弧線圈接地、小電阻接地等多種接地方式，也能滿足光伏、儲能等各類DG接入需求。無論配電網采用何種接地方式，接入何種類型DG，該技術都能通過調整虛擬阻抗參數和保護算法，實現精準故障檢測與保護，為不同配電網和分布式電源接入提供通用解決方案。

4.3降低改造成本

相較于傳統保護系統改造方案，本方案主要通過軟件算法升級保護性能，最大限度保留現有硬件設施。無需大規模更換保護裝置和改造配電網硬件結構，只需對現有保護裝置軟件進行優化升級，即可滿足DG并網后的保護要求，經濟推廣價值顯著，能以較低成本提升配電網接地保護水平，適合大規模推廣應用。

5.結束語

本文提出的自適應接地保護優化技術，一定程度上能有效解決DG并網引發的保護適配性問題，大幅提升配電網故障處理能力，為新型電力系統安全穩定運行提供有力支撐。后續研究還需聚焦保護控制與源網協調深度融合，探索接地保護系統與分DG控制策略協同優化方法，利用人工智能算法分析挖掘配電網運行數據，實現故障提前預警和快速自愈，推動配電自動化系統向更高智能化水平邁進，更好地適應未來高新能源滲透率配電網發展需求。

參考文獻：

[1]夏云峰。分布式發電系統接地保護與無功補償技術研究[D].長沙理工大學，2008.

[2]夏云峰。分布式發電系統接地保護與無功補償技術研究[D].長沙理工大學，2008.作者單位：內蒙古電力（集團）有限責任公司包頭供電分公司